海綿機(jī)場(chǎng)LID設(shè)施雨水循環(huán)可視化模型構(gòu)建

馮思博，彭 晶，2，羅文凱，杜若洋

（1.中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300000；2.中國民航大學(xué)中國民航環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究中心，天津 300300）

1 前言

隨著我國民航業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)工程的建設(shè)如火如荼，機(jī)場(chǎng)大面積不透水道面的建設(shè)改變了原有的水文循環(huán)，機(jī)場(chǎng)在遭遇突發(fā)暴雨時(shí)易產(chǎn)生積水、內(nèi)澇問題，給機(jī)場(chǎng)的正常安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)建設(shè)主要是以硬化路面為主，雨水的排放強(qiáng)調(diào)“快排”模式，很少考慮到雨水的搜集利用。機(jī)場(chǎng)傳統(tǒng)的雨水管理體系主要是通過場(chǎng)內(nèi)、場(chǎng)外的雨水溝渠等，將飛行區(qū)、工作區(qū)的雨水排入其周邊的排水系統(tǒng)，并輔以河流進(jìn)行排水效果的改善。隨著機(jī)場(chǎng)大規(guī)模的改擴(kuò)建和開發(fā)，大量硬化道面的建設(shè)使得機(jī)場(chǎng)不透水率很高，機(jī)場(chǎng)周圍原有的水文循環(huán)狀態(tài)遭到破壞，導(dǎo)致徑流形成的時(shí)間縮短，徑流峰值提高，短時(shí)強(qiáng)降雨給機(jī)場(chǎng)排水管網(wǎng)帶來巨大壓力，引發(fā)了一系列雨洪問題[1，2]。

綠色海綿機(jī)場(chǎng)的建設(shè)借鑒了海綿城市建設(shè)理念，應(yīng)用適合的低影響開發(fā)（以下簡(jiǎn)稱LID）設(shè)施實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)雨水利用的“滲、滯、蓄、凈、用、排”一體化，可有效緩解機(jī)場(chǎng)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，大大提升綠色機(jī)場(chǎng)的建設(shè)效果和水平。目前，海綿城市洪澇仿真模擬及可視化方面的研究較多。文雅等[3]基于BIM技術(shù)二次開發(fā)的BIM平臺(tái)對(duì)海綿城市系統(tǒng)設(shè)施的排水能力進(jìn)行可視化模擬呈現(xiàn)，并統(tǒng)計(jì)分析排水效果。許乃星[4]研究了BIM在海綿城市運(yùn)維管理三維可視化實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，顯著提升了海綿城市運(yùn)維精細(xì)化管控水平。杜永良[5]提出包含“源-網(wǎng)-廠-匯”的排水管網(wǎng)多尺度幾何語義模型，能夠滿足不同層次的用戶需求。

機(jī)場(chǎng)傳統(tǒng)的可視化展示平臺(tái)大都是通過二維窗口來進(jìn)行展示，只提供了平面的信息描述，無法對(duì)所要展示的部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)展示，需要觀測(cè)者進(jìn)行自主思考。在面對(duì)極端降水天氣時(shí)，目前的可視化二維平臺(tái)僅通過平面模型來模擬分析機(jī)場(chǎng)的洪澇情況，無法進(jìn)行災(zāi)害的演進(jìn)過程模擬和直觀展示機(jī)場(chǎng)排水管道系統(tǒng)及LID設(shè)施的空間關(guān)聯(lián)，同時(shí)LID設(shè)施作用下雨水徑流排放過程三維模型動(dòng)畫的構(gòu)建也比較匱乏，無法對(duì)徑流過程及LID設(shè)施的作用流程進(jìn)行直觀展示。

國外機(jī)場(chǎng)雨水利用技術(shù)先于我國。新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)每月可以收集63500 t雨水用于沖洗廁所和航站樓的空調(diào)系統(tǒng)，每年可以節(jié)省水費(fèi)約390000美元。George研究了機(jī)場(chǎng)采用LID設(shè)施可以有效地提高機(jī)場(chǎng)排水效率，減少航班延誤，同時(shí)水資源可以得到二次利用，從而節(jié)約資源。英國的蓋特威克機(jī)場(chǎng)在面對(duì)機(jī)場(chǎng)徑流重污染問題時(shí)建立了雨水分離循環(huán)系統(tǒng)，通過檢測(cè)設(shè)備將污染程度不同的水進(jìn)行分離凈化處理，再將凈化過的水循環(huán)到機(jī)場(chǎng)的日常非生活用水中。此外，常州機(jī)場(chǎng)新航站樓為體現(xiàn)綠色建筑理念，配套建設(shè)了雨水利用工程，采用景觀湖對(duì)雨水進(jìn)行收集，經(jīng)處理后用于廣場(chǎng)50500 m2綠地的綠化灌溉[6]。北京新機(jī)場(chǎng)充分落實(shí)“滲、滯、蓄、凈、用、排”方針，并通過一系列雨水管理措施，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)防洪內(nèi)澇控制、雨水資源化管理等目標(biāo)。建成后的北京新機(jī)場(chǎng)將能夠?qū)τ晁M(jìn)行有效的搜集、儲(chǔ)存，進(jìn)而進(jìn)行合理的雨水利用[7，8]。Peng等[9]對(duì)國內(nèi)某機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)實(shí)施LID設(shè)施前后的徑流控制情況進(jìn)行了研究，表明LID設(shè)施可有效提高機(jī)場(chǎng)雨水的控制能力，大大緩解飛行區(qū)內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。

由于運(yùn)行安全、凈空等特殊要求，機(jī)場(chǎng)對(duì)LID設(shè)施的類型及設(shè)置要求較高，目前對(duì)海綿機(jī)場(chǎng)LID設(shè)施可視化研究十分匱乏。鑒于此，本文在研究了適合機(jī)場(chǎng)特征的LID設(shè)施基礎(chǔ)上，應(yīng)用機(jī)場(chǎng)的實(shí)測(cè)資料、CAD圖紙、GIS數(shù)據(jù)等構(gòu)建了機(jī)場(chǎng)洪澇仿真模型，分析了不同LID設(shè)施的作用效果，設(shè)計(jì)了應(yīng)用多種海綿設(shè)施和雨水管網(wǎng)共同作用的雨水循環(huán)模型。以源頭削減、中途控制、末端調(diào)蓄3種途徑為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)海綿機(jī)場(chǎng)雨水的循環(huán)體系，構(gòu)建一個(gè)能夠集“滲、滯、蓄、凈、用、排”于一體的海綿機(jī)場(chǎng)循環(huán)系統(tǒng)；在此基礎(chǔ)上，以適合機(jī)場(chǎng)應(yīng)用的典型LID設(shè)施——綠色屋頂和生物滯留設(shè)施為對(duì)象，利用3DsMax、草圖大師等軟件，構(gòu)建了這2種LID設(shè)施的三維可視化模型，對(duì)綠色屋頂?shù)臉?gòu)型、組成、層次結(jié)構(gòu)及功能等進(jìn)行直觀的展示，同時(shí)也對(duì)生物滯留設(shè)施的雨水徑流排放過程、組成及層次結(jié)構(gòu)加以直觀動(dòng)態(tài)的展示。研究結(jié)果大大提高了海綿機(jī)場(chǎng)LID設(shè)施的可視化效果，為海綿機(jī)場(chǎng)構(gòu)建及運(yùn)行管理提供了支持。

2 雨水循環(huán)模型及可視化研究

2.1 雨水循環(huán)模型設(shè)計(jì)

本文在研究了機(jī)場(chǎng)運(yùn)行、凈空安全等要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)場(chǎng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以LID理念為核心，構(gòu)建了海綿機(jī)場(chǎng)雨水循環(huán)模型。

飛行區(qū)和航站區(qū)是機(jī)場(chǎng)的核心區(qū)域，主要由內(nèi)部建筑、道路、綠地、水體等共同組成。其中，航站區(qū)的大部分面積由內(nèi)部建筑覆蓋，結(jié)合此地塊條件可采用下沉式綠地、綠色屋頂、生物滯留設(shè)施等控制徑流總量，凈化徑流水質(zhì)。飛行區(qū)則以跑道、綠地為主要覆蓋，圍繞跑道、滑行道周邊設(shè)有大量綠地，具備良好的源頭雨水徑流控制條件；大量源頭綠地可以采用下沉形式直接調(diào)蓄雨水徑流總量、凈化徑流水質(zhì)，間接降低飛行區(qū)雨量徑流系數(shù)、調(diào)節(jié)峰值徑流量。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)場(chǎng)傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)布局，設(shè)置不同層級(jí)的海綿排水系統(tǒng)。其中，小海綿系統(tǒng)由綠色屋頂、雨水花園、下凹式綠地等各種LID設(shè)施組成，中尺度海綿系統(tǒng)主要指淺表排水、雨水的搜集、凈化等。中尺度海綿系統(tǒng)包裹著小海綿系統(tǒng)，中小尺度海綿系統(tǒng)共同作用對(duì)雨水進(jìn)行凈蓄、二次利用等，當(dāng)遇到低頻率的特大暴雨災(zāi)害、中小尺度海綿系統(tǒng)無法承載時(shí)，中海綿管道系統(tǒng)發(fā)揮其作用，將超過系統(tǒng)承載的雨水進(jìn)行引流排放，避免機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)內(nèi)澇的情況。不同層級(jí)的排水系統(tǒng)分工明確、緊密銜接、共同作用，以達(dá)到理想的雨水徑流循環(huán)和利用效果。

本文所構(gòu)建的海綿機(jī)場(chǎng)雨水循環(huán)模型模擬機(jī)場(chǎng)在經(jīng)歷降水后的雨水循環(huán)過程，圖1為海綿機(jī)場(chǎng)雨水循環(huán)模型的流程示意圖。本模型由多種海綿設(shè)施和雨水管網(wǎng)共同構(gòu)成，包括雨水下滲、徑流回收處理、污水分離凈化再回收等。

圖1 海綿機(jī)場(chǎng)雨水循環(huán)模型流程設(shè)計(jì)

2.2 可視化研究方法

本文利用GIS技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，通過研究現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)在雨水排、滯等方面的不足提出優(yōu)化措施，采用適合機(jī)場(chǎng)特征的LID設(shè)施進(jìn)行布局。為更好地展示LID設(shè)施對(duì)雨水“滲、滯、蓄、凈、用、排”的效果，以典型的LID設(shè)施為研究對(duì)象，采用3DsMax、草圖大師等軟件進(jìn)行三維可視化建模，該三維可視化建?？芍庇^展示LID設(shè)施對(duì)雨水徑流的“滲、滯、蓄、凈、用、排”過程，大大提高了LID設(shè)施的可視化效果。在該模型模擬的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)場(chǎng)區(qū)域劃分及功能要求，進(jìn)行適合的LID設(shè)施的規(guī)劃和布局，力求以源頭削減、中途控制、末端調(diào)蓄3種途徑為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)海綿機(jī)場(chǎng)大、中、小為一體的雨水循環(huán)體系，構(gòu)建下雨時(shí)能夠集“滲、滯、蓄、凈、用、排”于一體的雨水循環(huán)系統(tǒng)，建成在需水時(shí)能將儲(chǔ)存的雨水釋放并加以利用的可自由呼吸的海綿機(jī)場(chǎng)。本文通過以上技術(shù)方法和建模軟件設(shè)計(jì)適合機(jī)場(chǎng)的LID設(shè)施，直觀模擬LID設(shè)施的雨水循環(huán)過程，并進(jìn)行可視化展示，從而實(shí)現(xiàn)雨水的循環(huán)利用，進(jìn)而達(dá)到改善機(jī)場(chǎng)生態(tài)水文循環(huán)、提高機(jī)場(chǎng)極端暴雨天氣下對(duì)洪澇災(zāi)害的抵抗能力的目的。

通過GIS水文分析及機(jī)場(chǎng)的CAD地形圖，獲取機(jī)場(chǎng)所處區(qū)域的水文數(shù)據(jù)。根據(jù)所獲取的建模數(shù)據(jù)，將研究機(jī)場(chǎng)的CAD圖導(dǎo)入GIS軟件，獲取機(jī)場(chǎng)管網(wǎng)、出水口、道路、排水設(shè)施的數(shù)據(jù)，在明確所獲取的數(shù)據(jù)后，根據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建立，設(shè)計(jì)雨水循環(huán)管網(wǎng)和雨水收集設(shè)施，并對(duì)所構(gòu)建的設(shè)施賦值。通過3DsMax、草圖大師等軟件構(gòu)建相應(yīng)的雨水循環(huán)設(shè)施，利用SWMM等水文水力學(xué)模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，采用歷史數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)通過后，根據(jù)建立的模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的Flash動(dòng)畫，進(jìn)行結(jié)果展示。本文所構(gòu)建的可視化模型可將信息進(jìn)行充分整合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目周期中的信息存儲(chǔ)及快速查詢。海綿機(jī)場(chǎng)雨水循環(huán)可視化設(shè)計(jì)流程，如圖2所示。

圖2 海綿機(jī)場(chǎng)雨水循環(huán)可視化設(shè)計(jì)流程

3 海綿機(jī)場(chǎng)LID設(shè)施三維可視化建模

構(gòu)建三維可視化模型，必須搜集分析包括區(qū)域地理、LID設(shè)施改造對(duì)比、排水管道更新前后、機(jī)場(chǎng)建筑設(shè)施改擴(kuò)建等諸多方面在內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1 可視化模型創(chuàng)建思路

以海綿機(jī)場(chǎng)的規(guī)劃數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)機(jī)場(chǎng)用地功能、凈空等特殊要求設(shè)計(jì)不同的LID設(shè)施。為了直觀清晰地展示不同設(shè)施的雨水徑流控制流程，為后期海綿機(jī)場(chǎng)整體布局規(guī)劃提供更為準(zhǔn)確、直觀的展示，選擇適合海綿機(jī)場(chǎng)建設(shè)的典型LID設(shè)施為例，采用草圖大師、3DsMax軟件對(duì)DWG文件進(jìn)行建模。根據(jù)LID設(shè)施應(yīng)用部位、周邊建筑物和地形特點(diǎn)，采用不同等級(jí)的建模。海綿機(jī)場(chǎng)LID設(shè)施三維可視化模型構(gòu)建需要對(duì)片區(qū)內(nèi)地形地勢(shì)、坡向、坡度等進(jìn)行三維立體表達(dá)，對(duì)海綿設(shè)施在空間中的縱橫交錯(cuò)、上下起伏分布進(jìn)行三維描述，進(jìn)而三維展示LID設(shè)施相關(guān)的降雨匯流過程。

三維可視化模型構(gòu)建首先應(yīng)針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景和區(qū)域?qū)ο?，制定統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)；其次，考慮到不同LID設(shè)施的建模需求與表現(xiàn)方式，為充分發(fā)揮不同三維建模軟件的優(yōu)勢(shì)，采用針對(duì)性建模軟件構(gòu)建地形模型、管線模型、場(chǎng)景模型、海綿設(shè)施三維模型等相應(yīng)要素模型；最后，利用草圖大師對(duì)各種要素模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化與集成，形成完整的海綿機(jī)場(chǎng)LID設(shè)施三維立體可視化模型。

3.2 LID設(shè)施三維可視化建模

考慮機(jī)場(chǎng)在運(yùn)行安全、凈空、鳥擊防范等方面的特殊要求，在進(jìn)行海綿機(jī)場(chǎng)構(gòu)建時(shí)，LID設(shè)施的選擇與城市有很大不同，尤其是在飛行區(qū)內(nèi)部，不允許有影響機(jī)場(chǎng)凈空的高大植被、樹木等存在，所以飛行區(qū)適合選擇下凹式綠地等進(jìn)行雨水的“滲、滯、蓄、凈、用、排”；而在工作區(qū)要求則沒那么嚴(yán)格，辦公區(qū)屋頂可采用綠色屋頂進(jìn)行雨水徑流改善，道路周邊可使用生物滯留設(shè)施、雨水花園之類的海綿措施。本文將以綠色屋頂、下凹式綠地及生物滯留設(shè)施為例進(jìn)行LID設(shè)施的三維可視化模型構(gòu)建。

綠色屋頂作為L(zhǎng)ID雨水循環(huán)基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分，具有緩解熱島效應(yīng)、減少建筑能耗、削減暴雨徑流的特點(diǎn)。綠色屋頂以傳統(tǒng)不透水屋頂為載體，以植物為配置主體，是一種新型綠化形式。本文設(shè)計(jì)的綠色屋頂鋪裝結(jié)構(gòu)由上至下依次為植被層、基質(zhì)層、過濾層、蓄排水層、保護(hù)層和結(jié)構(gòu)層。綠色屋頂可實(shí)現(xiàn)對(duì)屋頂徑流的控制及凈化收集，依靠屋頂綠色植物的蒸騰作用緩解機(jī)場(chǎng)熱島效應(yīng)。本文將綠色屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)建造與機(jī)場(chǎng)建筑規(guī)劃、景觀規(guī)劃、給排水管網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行綜合分析，與機(jī)場(chǎng)工作區(qū)建筑、周邊水體及市政設(shè)施聯(lián)合設(shè)計(jì)，提高機(jī)場(chǎng)雨水綜合利用效率。圖3為綠色屋頂雨水徑流三維可視化模型。

圖3 綠色屋頂三維可視化模型

作為L(zhǎng)ID海綿城市改造建設(shè)的有效措施之一，生物滯留設(shè)施將雨水收集處理后排放，能消除因排水設(shè)施不足而遇雨就澇、污水橫流的頑疾，緩解雨水徑流污染等引發(fā)的水環(huán)境問題。為此，在海綿機(jī)場(chǎng)構(gòu)建時(shí)，在工作區(qū)可設(shè)置3個(gè)層級(jí)的生物滯留設(shè)施，周邊地表徑流匯集進(jìn)入第一層級(jí)的卵石層，經(jīng)過過濾后順著地勢(shì)流入下一層級(jí)，再經(jīng)過石籠滲透擋板的滲透為濕地植物提供雨水，最后多余的雨水由排水管排放至市政排水系統(tǒng)。其雨水徑流排放過程的三維可視化模型，如圖4所示。

圖4 生物滯留設(shè)施三維可視化模型

下凹式綠地是一種高程低于周圍路面的公共綠地，亦稱低勢(shì)綠地。與“花壇”相反，其理念是利用開放空間承接和貯存雨水，減少徑流外排。低勢(shì)綠地對(duì)下凹深度有一定要求，而且其土質(zhì)多未經(jīng)改良。與植被淺溝的“線狀”相比，其主要是“面”能夠承接更多的雨水，而且其內(nèi)部植物多以本土草本為主。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)有大量土面區(qū)域，根據(jù)飛行區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范，將土面區(qū)域加以改造，設(shè)計(jì)出適合機(jī)場(chǎng)要求的能集“滲、滯、蓄、凈、用、排”于一體的下凹式綠地或植被淺溝，實(shí)現(xiàn)海綿機(jī)場(chǎng)LID的效果。

其雨水徑流排放過程的三維可視化模型，如圖5所示。

圖5 下凹式綠地三維可視化模型

4 結(jié)論

本文基于我國現(xiàn)階段對(duì)于海綿機(jī)場(chǎng)LID設(shè)施三維可視化模型研究較為匱乏，但LID海綿機(jī)場(chǎng)又迫切需要設(shè)計(jì)建設(shè)及研究的現(xiàn)狀而提出。首先分析了海綿城市及機(jī)場(chǎng)雨水徑流模擬及可視化模型開發(fā)的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)場(chǎng)在運(yùn)行安全、凈空、鳥擊防范等方面的要求，按照機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)行海綿機(jī)場(chǎng)雨水徑流循環(huán)模型設(shè)計(jì)。為了更好展示海綿機(jī)場(chǎng)LID設(shè)施的雨水徑流循環(huán)過程，本文以適合機(jī)場(chǎng)的綠色屋頂、生物滯留設(shè)施及下凹式綠地為研究對(duì)象，應(yīng)用草圖大師、3DsMax軟件，根據(jù)LID設(shè)施應(yīng)用部位、周邊建筑物和地形特點(diǎn)，進(jìn)行不同等級(jí)LID設(shè)施的三維可視化模型構(gòu)建。本文研究結(jié)果可直觀展示海綿機(jī)場(chǎng)LID設(shè)施的雨水徑流循環(huán)過程，大大提高海綿機(jī)場(chǎng)LID設(shè)施的可視化水平，有利于提升海綿機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理水平。下一步可將構(gòu)建的海綿機(jī)場(chǎng)LID設(shè)施三維可視化模型進(jìn)行整合和處理，構(gòu)建完整的海綿機(jī)場(chǎng)三維模型，實(shí)現(xiàn)海綿機(jī)場(chǎng)建設(shè)的三維可視化動(dòng)態(tài)模擬及展示。